視覺拉線檢測器的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

黃書智　張明

【摘 要】本文設(shè)計(jì)了基于機(jī)器視覺技術(shù)的拉線質(zhì)量檢測器，主要用于透明包裝材料上拉線缺失、拉線偏移等缺陷檢測。文中介紹了檢測器的軟件和硬件設(shè)計(jì)方案，并詳細(xì)闡述了檢測器開發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)研究，包括圖像采集組件和控制板設(shè)計(jì)。最后，總結(jié)了檢測器的設(shè)計(jì)成果，并對(duì)下一步的研究進(jìn)行了展望。

【關(guān)鍵詞】機(jī)器視覺；拉線檢測；圖像采集；控制

【Abstract】In order to resolve the problem of tear-tape missing and tear-tape excursion，this paper designs a tear-tape quality detected instrument based on the machine vision technology.This article introduced the software and hardware design precept of detected instrument，and the key technologies are described particularly，insist of the design of control board and image capture group.At last，the main design results of the detected instrument are summarized and the future research is presented.

【Key words】Machine vision；Tear-tape detect；Image capture；Control

0 緒論

目前所使用的拉線檢測方式主要光電反射式、光電對(duì)射式，產(chǎn)品主要應(yīng)用于煙草及包裝行業(yè)。兩種檢測方式功能對(duì)比見表1。

表1 現(xiàn)有檢測器功能對(duì)比表

通過比較發(fā)現(xiàn)上述兩種檢測方法在不透明拉線的檢測中可靠性較高，但是在用于檢測環(huán)保性更好的透明拉線時(shí)經(jīng)常誤判，導(dǎo)致誤判的原因是透明拉線透光性強(qiáng)，使得有拉線輸出的電平信號(hào)與沒有拉線的輸出電壓相近。由于現(xiàn)有產(chǎn)品存在的缺陷，部分煙廠對(duì)該產(chǎn)品的性能提出了更高的要求?；跈C(jī)器視覺技術(shù)的拉線檢測器可以解決當(dāng)前技術(shù)的檢測缺陷。另外，在食品、藥品、化妝品等行業(yè)中，很多商品為了防潮、防止氣味流失，均采用了帶有拉線的透明包裝材料，以上產(chǎn)品對(duì)于視覺拉線檢測器的推廣具有積極的意義。

1 總體方案設(shè)計(jì)

視覺拉線檢測器是以機(jī)器視覺技術(shù)為基礎(chǔ)的新型檢測器，用于檢測透明包裝材料上拉線是否存在缺陷。通過對(duì)拍攝的拉線圖像進(jìn)行分析判斷出拉線是否存在拉線缺失、拉線偏移和透明紙接頭缺陷，并向外部發(fā)出相應(yīng)的電平信號(hào)。檢測器主要由以下幾個(gè)部分組成（見圖1所示）：CMOS工業(yè)相機(jī)、LED照明系統(tǒng)和自主研發(fā)的控制器。

2 視覺拉線檢測器的設(shè)計(jì)與開發(fā)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

視覺拉線檢測器主要由圖像采集組件、控制器等外圍設(shè)備組成。其中控制器包括一個(gè)控制組件、一個(gè)帶觸摸屏的彩色液晶屏及一個(gè)母板。圖像采集組件由LED光源和工業(yè)相機(jī)組成，其中LED光源以一定的角度照射待檢的拉線，工業(yè)相機(jī)在與拉線垂直的角度進(jìn)行拍照，工業(yè)相機(jī)負(fù)責(zé)采集待檢拉線的圖像并傳送給控制組件?？刂平M件通過圖像處理技術(shù)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并判斷拉線是否存在缺失、偏移等缺陷。視覺拉線檢測器的原理框圖如圖2所示，下面將會(huì)分別介紹各部分的設(shè)計(jì)原理。

2.1.1 圖像采集組件

圖像采集組件負(fù)責(zé)通過工業(yè)相機(jī)采集待檢拉線的圖像并進(jìn)行初步處理后傳送給控制組件。圖像采集組件主要由光源、光學(xué)鏡頭、CMOS工業(yè)相機(jī)幾部分組成。

光源是圖像采集組件性能穩(wěn)定的重要保障，負(fù)責(zé)以合適的方式將光線投射到檢測目標(biāo)上，盡可能地突出檢測目標(biāo)的特征量部分，使需要檢測的部分與那些不重要部分之間應(yīng)盡可能地產(chǎn)生明顯的區(qū)別，增加足夠的對(duì)比度。 LED光源具有成本低、光強(qiáng)穩(wěn)定、使用壽命長及免維護(hù)等優(yōu)點(diǎn)。我們現(xiàn)有幾個(gè)產(chǎn)品中采用的都是LED光源，本系統(tǒng)也準(zhǔn)備采用LED燈作為圖像采集組件的光源。

光學(xué)鏡頭是整個(gè)系統(tǒng)與檢測目標(biāo)接觸最近的部件，它相當(dāng)于人眼的晶狀體，通過它將檢測目標(biāo)的圖像成在圖像傳感器的像敏單元上。鏡頭的質(zhì)量直接影響系統(tǒng)的整體性能，合理選擇并安裝光學(xué)鏡頭是保證清晰成像同時(shí)獲得正常圖像信號(hào)的基礎(chǔ)。

圖像采集組件中光源與光學(xué)鏡頭的安裝示意圖如圖3所示，鏡頭與透明紙成垂直角度安裝，LED光源與鏡頭成約45度照射在拉線上。當(dāng)拉線缺失或拉線偏移時(shí)，興趣區(qū)域內(nèi)拉線邊緣對(duì)應(yīng)的圖像平均亮度、位置與正常拉線發(fā)生變化，系統(tǒng)可以根據(jù)亮度與位置的變化來判斷是否存在缺陷。

圖像傳感器作為工業(yè)相機(jī)的成像器件，舉足輕重地決定著圖像的質(zhì)量和性能指標(biāo)。圖像傳感器主要分為CCD（電荷耦合器件）和CMOS（互補(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體）兩種，兩種傳感器雖然屬于不同的技術(shù)，但都用于將光信號(hào)轉(zhuǎn)換成電荷，并處理成模擬電子信號(hào)輸出，通過A/D轉(zhuǎn)換器以數(shù)字形式捕獲圖像。

2.1.2 控制組件

控制組件通過圖像處理技術(shù)對(duì)圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理并判斷是否存在缺陷拉線。控制組件主要由工控板、接口板組成。

工控板用于操作系統(tǒng)以及上位機(jī)軟件的運(yùn)行，本系統(tǒng)準(zhǔn)備采用的是COM Express模塊，COM Express模塊是基于PCI Express總線的高集成度計(jì)算機(jī)模塊，安裝在客戶自己設(shè)計(jì)的、針對(duì)特殊應(yīng)用的載板上。

接口板用于工控板的外圍擴(kuò)展，主要包括電源電路、接口板單片機(jī)、圖像采集組件通訊接口、包裝機(jī)組控制系統(tǒng)通訊接口、液晶及觸摸屏接口等。電源電路包括+12V、+5V、+3.3V直流電源轉(zhuǎn)換電路，將+24V直流電源轉(zhuǎn)換為COM Express模塊、工業(yè)相機(jī)等工作所需電源。接口板單片機(jī)選用的是當(dāng)前流行的TI公司的基于Cortex-M4F的32位單片機(jī)STM32F407，負(fù)責(zé)執(zhí)行上位機(jī)軟件的控制命令，包裝機(jī)組控制系統(tǒng)通訊接口用于接口板單片機(jī)向控制系統(tǒng)發(fā)送剔除信號(hào)。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

視覺拉線檢測器的軟件主要包括控制器上位機(jī)界面、控制器接口板控制軟件。

2.2.1 控制器上位機(jī)界面設(shè)計(jì)

控制組件上位機(jī)軟件負(fù)責(zé)圖像處理以及系統(tǒng)的整體控制。其基本功能包括：通過控制組件接口板上的通訊接口與圖像采集組件通訊，從圖像采集組件接收采集到的圖像數(shù)據(jù)；通過圖像處理技術(shù)對(duì)采集到的圖像數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，判斷是否存在拉線缺失、偏移等缺陷，如果當(dāng)前拉線存在缺陷則向接口板CPU發(fā)送中斷觸發(fā)信號(hào)，由其向包裝機(jī)組控制柜發(fā)送剔除信號(hào)；通過顯示屏顯示系統(tǒng)運(yùn)行的相關(guān)信息；通過觸摸屏響應(yīng)用戶的參數(shù)設(shè)置等操作。

圖像處理技術(shù)是控制組件上位機(jī)軟件開發(fā)的難點(diǎn)。為了降低開發(fā)難度、縮短開發(fā)周期、提高軟件可靠性，本系統(tǒng)準(zhǔn)備采用目前成熟的機(jī)器視覺函數(shù)庫OpenCV，該庫是由Intel公司資助開發(fā)的開源機(jī)器視覺庫，庫中包含了大量的圖像處理基本函數(shù)，我們可以在這些函數(shù)的基礎(chǔ)上進(jìn)行軟件設(shè)計(jì)。

控制組件上位機(jī)軟件除了包括圖像處理技術(shù)還包括關(guān)鍵的人機(jī)界面設(shè)計(jì)。主要包括四個(gè)子界面：工作界面、統(tǒng)計(jì)界面、設(shè)置界面和實(shí)驗(yàn)室界面。

2.2.2 控制組件接口板控制軟件設(shè)計(jì)

控制組件接口板控制軟件主要負(fù)責(zé)執(zhí)行控制組件上位機(jī)軟件的命令，對(duì)外圍設(shè)備進(jìn)行相關(guān)操作。完成的功能主要包括：接收上位機(jī)的控制指令；LED光源控制；向包裝機(jī)組控制柜發(fā)送檢測狀態(tài)信號(hào)及診斷信號(hào)。

3 結(jié)束語

綜上所述，本文是基于機(jī)器視覺設(shè)計(jì)的關(guān)于拉線檢測器，針對(duì)檢測器中的圖像采集技術(shù)、光源照明機(jī)安裝、圖像處理等關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究。目前檢測器已設(shè)計(jì)完成并在包裝機(jī)組上使用，反饋效果較好。下一步將針對(duì)不同的拉線特點(diǎn)優(yōu)化算法滿足市場使用需求。

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[責(zé)任編輯：李書培]